Qualificação de Redes de FO Multigigabit José Manuel dos Santos Duarte Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e Computadores Orientador: Prof. José António Marinho Brandão Faria Júri Presidente: Prof. Adolfo da Visitação Tregeira Cartaxo Orientador: Prof. José António Marinho Brandão Faria Vogais: Prof. Pedro Manuel Brito da Silva Girão, Prof. Luís Manuel de Jesus Sousa Correia Abril 2014
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Qualificação de Redes de FO Multigigabit
José Manuel dos Santos Duarte
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Eletrotécnica e Computadores
Orientador: Prof. José António Marinho Brandão Faria
Júri
Presidente: Prof. Adolfo da Visitação Tregeira Cartaxo
Orientador: Prof. José António Marinho Brandão Faria
Vogais: Prof. Pedro Manuel Brito da Silva Girão,
Prof. Luís Manuel de Jesus Sousa Correia
Abril 2014
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Agradecimentos
O meu primeiro agradecimento vai para o conjunto de Professores do IST com os quais convivi no
POSTIT pelos estímulos que me conseguiram transmitir, agradecimento que veiculo na pessoa do
Coordenador do Curso o Prof. Luis M. Correia.
A frequência do POSTIT veio estimular a minha atenção e interesse em obter o Grau de Mestre, novo
passo da minha qualificação após o términos da Licenciatura em 1988. Os estímulos do Prof. António
Cruz Serra e do Prof. Pedro Girão tiveram um contributo importante para a concretização deste
objetivo, razão pela qual aqui apresento o meu agradecimento.
O tema que sempre tive em mente para o trabalho de Mestrado estava ligado ao ensaio de redes de
fibra ótica, uma das atividades a que estive técnica e profissionalmente ligado desde inícios da
década de 1990.
Ao Prof. Brandão Faria, Orientador do Trabalho de Mestrado, o qual sem abdicar das suas
prerrogativas, atuou como um amigo, com quem partilhei as preocupações de saúde que entretanto
me ocorreram, e me incentivou a continuar a lutar.
Aos trabalhadores da minha equipa na PT Inovação, com os quais foi possível realizar com sucesso,
entre outras, as atividades de ensaio de redes de fibra ótica que aqui pretendo apresentar.
Esta atividade de ensaio teve a sua grande expressão em 1994 aquando da instalação em Portugal
de uma rede de gasodutos, da qual a rede de fibra ótica era uma das realizações deste projeto. Pela
dimensão do projeto e pelos desafios que foram colocados, foi sem dúvida um marco nesta atividade.
Gostaria assim de realçar os laços de profissionalismo e de amizade que foram possíveis construir
com este Cliente, nas pessoas dos Engºs Carlos Marques, Rui Cardoso, Manuel Matos e Sérgio
Diabinho.
Por último à minha família mais chegada, a minha esposa Júlia e os meus filhos Teresa e Vasco, aos
quais por diversas vezes suprimi a atenção devida em prol da atividade profissional ou de estudante,
e dos quais sempre recebi a compreensão, o carinho e o estímulo que tanto relevo e que foi
determinante para o caminho que tenho percorrido.
Sou Engenheiro e como costumo dizer, não sei o que outra coisa poderia ser. O impulso inicial devo-
o aos meus pais, José e Amélia. O meu grande obrigado.
ii
iii
Resumo
O tema Qualificação de Redes de Fibra Ótica Multigigabit é apresentado na forma de relatório de
projeto, e pretende descrever a atividade de ensaio de redes de fibra ótica realizada desde meados
da década de 90 até hoje, visando a sua qualificação em função de especificações internacionais
e/ou de cliente ou a simples constatação do seu estado operacional.
Com vista a apoiar a compreensão dos ensaios experimentais, seus resultados e fatores de
influência, far-se-á uma introdução às comunicações óticas em fibra e identificação dos fatores que a
determinam e que serão objeto de ensaio.
São apresentados e discutidos os métodos de ensaio aprovados em Normas Internacionais e as suas
diversas metodologias de implementação.
Apresentam-se e discutem-se os resultados dos ensaios em diversas redes e com diversos tipos de
cabo ótico.
O tema é concluído com a discussão da problemática do ensaio de redes de fibra ótica e nas suas
vantagens para o seu operador.
Palavras chave:
Fibras óticas, ensaios de qualificação de rede, perdas de inserção, atenuação espetral, dispersão
cromática e dispersão de modos de polarização.
iv
v
Abstract
The theme Network Fiber Optics Qualification, presented as a project report, has the objective to
describe the activity of fiber optic network testing held since the mid -90s until today, aiming to qualify
the networks according to international and client specifications or just finding the operating state of a
network in operation.
In an introductory way, we will go through optical fiber communications and pulse propagation on fiber
optics, identifying the factors that determine it, and which will be the appropriate test method.
The applied test methods according to International Standards and its various implementation
methodologies are discussed.
The tests results of various networks and various types of optical cable are present and discuss.
The work is concluded with discussion of the problem of testing fiber optic networks and its benefits to
Capítulo 3 - Métodos de ensaio e especificações de fibra ótica 25
3.1 Atenuação 26
3.1.1 Perdas de inserção 27
3.1.2 Atenuação Espetral 28
3.1.3 Coeficiente de Atenuação 29
3.2 Perdas de retorno 35
3.3 Dispersão 36
3.3.1 Dispersão Cromática (CD) 37
3.3.2 Dispersão de modos de polarização (PMD) 40
viii
Capítulo 4 - Caracterização de redes óticas 45
4.1 Rede suportada em fibra G653 47
4.1.1 Ligação A -1996 49
4.1.2 Ligação B - 1998 53
4.1.3 Discussão do caso 55
4.2 Rede suportada em fibra G652 56
4.2.1 Ligação C - 2000 57
4.2.2 Ligação D - 2000 61
4.2.3 Discussão dos casos 64
4.3 Rede suportada em fibra G652 e G655 65
4.3.1 Ligação E-2009 66
4.3.2 Ligação F - 2009 70
4.3.3 Discussão dos casos 77
Capítulo 5 - Conclusões 79
Apêndice A – Situações problemáticas 81
A.1 Quando os métodos e equipamentos de fusão não estão aptos 81
A.2 Os ensaios de aceitação não se destinam a identificar erros 83
A3 Quando as especificações são subentendidas 83
A.4 Quando não existe diálogo entre cliente e fornecedor 86
Apêndice B - Instalação de redes fibra ótica – cabos, fibras, juntas e conectores 89
B.1 Cabos de fibra ótica 89
B.2 Tipos de fibras monomodo 90
B.3 Juntas de fibra ótica 92
B.4 Conectores para fibra ótica 95
Bibliografia e referências 99
ix
Lista de Figuras
Fig. 2. 1 – Esquema de blocos de um sistema de comunicações por fibra ótica ................................... 9
Fig. 2. 2 - Representação dos fenómenos de reflexão e refração da luz na superfície de separação de
dois meios. ............................................................................................................................................ 10
Fig. 2. 3 - Ilustração da configuração cilíndrica e estrutura da fibra ótica. ............................................ 11
Fig. 2. 4 - Representação da variação do índice de refração (n) em função da distância radial (d) para
a fibra de índice em degrau e índice gradual. A fibra está representada em corte transversal. .......... 12
Fig. 2. 5 - Identificação da zona (cone) de aceitação e a sua relação com o ângulo ab ..................... 12
Fig. 2. 6- Perfil de atenuação de uma fibra ótica genérica (CCITT G652A). ........................................ 19
Fig. 3. 1- Diagrama esquemático do ensaio de atenuação ................................................................... 27
Fig. 3. 2 - Curva de atenuação espetral de uma ligação ótica com 114 km. ........................................ 29
Fig. 3. 3- Diagrama esquemático do OTDR .......................................................................................... 30
Fig. 3. 4 - Diagrama esquemático do ensaio de coeficiente de atenuação .......................................... 30
Fig. 3. 5.-Traço de uma ligação ótica medido pelo OTDR. Comprimento de onda () de 1310 nm e
largura de impulso de 30 ns. ................................................................................................................. 34
Fig. 3. 6 -Tabela de eventos tipo gerada pelo OTDR, correspondente à ligação ótica cujo traço se
apresentou na Fig.3.5. ........................................................................................................................... 35
Fig. 3. 7- Extrato da tabela de eventos da Fig 3.6, realçando-se os resultados da medição das perdas
de retorno e refletâncias. ....................................................................................................................... 36
Fig. 3. 8 - Ligação com fibra do tipo G.652 de 13 km de comprimento: gráfico do atraso de grupo
relativo (a) e da CD (b), em função do comprimento de onda .............................................................. 39
Fig. 3. 9 - Ligação com fibra do tipo G.653 de 22 km de comprimento: gráfico do atraso de grupo
relativo (a) e da CD (b), em função do comprimento de onda .............................................................. 39
Fig. 4. 1 - Gráfico com as Perdas Totais (dB) por fibra a 1310 nm e 1550 nm .................................... 50
Fig. 4. 2 - Gráfico da representação do valor médio e desvio padrão da atenuação espetral nos
comprimentos de onda entre 1200 nm e 1600 nm. .............................................................................. 50
Fig. 4. 3 - Gráfico da representação coeficientes de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm. ..... 51
Fig. 4. 4 - Gráfico da representação do Comp. de Onda com CD nulo para todas as fibras do troço. 52
Fig. 4. 5 - Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0 para todas as fibras do troço. .... 53
Fig. 4. 6 - Gráfico da representação Coeficiente de CD médio das fibras do troço. ............................. 51
x
Fig. 4. 7 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD das fibras do troço no comprimento de
onda de 1310 nm. .................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Fig. 4. 8 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD das fibras do troço no comprimento de
onda de 1550 nm. .................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Fig. 4. 9 - Gráfico da representação do PMD/DGD das fibras do troço no comprimento de onda de
1310 nm e 1550 nm. .............................................................................................................................. 55
Fig. 4. 10.-Gráfico com as Perdas Totais (dB) por fibra a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm. .................. 58
Fig. 4. 11 - Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1200
nm e 1650 nm. ....................................................................................................................................... 58
Fig. 4. 12- Gráfico da representação coeficientes de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm. .... 58
Fig. 4. 13 - Gráfico da representação do Comprimento de Onda com CD. .......................................... 59
Fig. 4. 14 - Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0. ................................................. 59
Fig. 4. 15 - Gráfico da representação Coeficiente de CD para todas as fibras do troço em função do
comprimento de onda. Valor médio e desvio padrão. ........................................................................... 60
Fig. 4. 16 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD em1310 nm. ........................................... 60
Fig. 4. 17 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD em 1550 nm. .......................................... 60
Fig. 4. 18 - Gráfico da representação do PMD/DGD das fibras do troço no comprimento de onda de
1310 nm e 1550 nm. .............................................................................................................................. 61
Fig. 4. 19 - Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1200
nm e 1600 nm ........................................................................................................................................ 62
Fig. 4. 20- Gráfico da representação do Comprimento de Onda com CD nulo. ................................... 63
Fig. 4. 21- Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0 para todas as fibras do troço. ... 63
Fig. 4. 22- Gráfico da representação do PMD/ DGD das fibras do troço no comprimento de onda de
1310 nm e 1550 nm. .............................................................................................................................. 64
Fig. 4. 23 - Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1240
nm e 1600 nm. ....................................................................................................................................... 67
Fig. 4. 24- Gráfico da representação da CD média das fibras do troço em função do comprimento de
onda ....................................................................................................................................................... 68
Fig. 4. 25- Gráfico da representação do PMD/DGD (ps) da fibra do G652-Fb 5 no comprimento de
onda de 1550 nm ................................................................................................................................... 69
Fig. 4. 26- Gráfico da representação do PMD/DGD (ps) da fibra do G655-Fb 45 no comprimento de
onda de 1550 nm. .................................................................................................................................. 69
Fig. 4. 27- Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1240 nm
e 1600 nm. ............................................................................................................................................. 71
Fig. 4. 28- Gráfico da representação do PMD/DGD (ps) da fibra do G655-Fb 47 no comprimento de
onda de 1550 nm. .................................................................................................................................. 73
Fig. 4. 29- Gráfico da representação do PMD/DGD (ps) da fibra do G655-Fb 47 no comprimento de
onda de 1550 nm durante o período de 24 h. ....................................................................................... 73
xi
Fig. A. 1- Gráfico atenuação espetral de secção com 12 km ............................................................... 84
Fig. A. 2 - Gráfico atenuação espetral de secção com 18 km .............................................................. 84
Fig. A. 3 - Gráfico resultados medição CD secção 12 km .................................................................... 84
Fig. A. 4 - Gráfico resultados medição CD secção 18 km .................................................................... 84
Fig. A. 5 - Gráfico resultados medição PMD secção 12 km .................................................................. 85
Fig. A. 6 - Gráfico resultados medição PMD secção 18 km .................................................................. 85
Fig. A. 7 – Gráfico medição PMD da Via 1.0......................................................................................... 87
Fig. A. 8 - Gráfico medição PMD da Via 2.1 ......................................................................................... 87
Fig. A. 9 - Gráfico medição PMD da Via 2.2 ......................................................................................... 87
Fig. A. 10 - Gráfico atenuação espetral Via 2.1 .................................................................................... 87
Fig. A. 11 - Gráfico atenuação espetral Via 2.2 .................................................................................... 87
Fig. B. 1- Imagens de conectores óticos com problemas de conservação ........................................... 96
Fig. B. 2- Imagens de conectores em bom estado de conservação e funcionamento ......................... 97
xii
xiii
Lista de Tabelas
Tab. 1. 1 - Lista de características e ensaios a realizar numa rede de fibra ótica .................................. 4
Tab. 1. 2 - Lista de ensaios e Normas Internacionais aplicáveis ............................................................ 5
Tab. 2. 1 - Características relacionadas com o meio (ideal ou fibra ótica de sílica) que afetam a
relação entre E e P. ............................................................................................................................... 16
Tab. 2. 2- Bandas óticas para fibras monomodo. ................................................................................. 20
Tab. 3. 1.- Valor máximo de PMD em função do débito de transmissão na rede ................................ 41
Tab. 3. 2 - Apresentação dos métodos de ensaio por grau de concordância dos resultados .............. 44
Tab. 3. 3- Tabela de resultados da medição de fibras óticas (5,5 km e 75,6 km) pelo método
Analisador Fixo (AF) e GINTY ............................................................................................................... 44
Tab. 4. 1.- Características mecânicas de cabo ótico. ........................................................................... 46
Tab. 4. 2 – Especificações para fibra e parâmetros de instalação para Rede G652............................ 56
Tab. 4. 3 – Resultados totais da atenuação e DGD relativos à Ligação C – 2000 ............................... 61
Tab. 4. 4 – Especificações da rede 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm ...................................... 65
Tab. 4. 5– Resultados globais das medições de atenuação, CD e PMD e sua comparação com
Tab. 4. 6 – Tabela de resultados de Perdas de inserção a 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm . 67
Tab. 4. 7– Tabela de resultados globais das medições de CD ............................................................. 68
Tab. 4. 8– Tabela de resultados de PMD/DGD nas fibras do cabo ...................................................... 69
Tab. 4. 9– Tabela de resultados da medição PMD/DGD (ps) da fibra G652-Fb 5 e G655-Fb 45 ........ 69
Tab. 4. 10– Resultados globais das medições e sua comparação com especificação ........................ 70
Tab. 4. 11– Tabela de resultados de Perdas de inserção a 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm 71
Tab. 4. 12– Tabela de resultados globais das medições de CD ........................................................... 72
Tab. 4. 13– Tabela de resultados de PMD/DGD nas fibras do cabo .................................................... 72
Tab. 4. 14– Tabela de resultados de PMD/DGD na fibra Fb 47. .......................................................... 73
Tab. 4. 15– Tabela de resultados da medição PMD/DGD (ps) da fibra G655-Fb 47 durante o período
de 24 h ................................................................................................................................................... 74
Tab. A. 1 - Resultados da medição de PMD ......................................................................................... 86
Tab. B. 1 - Atenuação na junta devido a separação longitudinal .......................................................... 94
Tab. B. 2 - Atenuação na junta devido a diferenças do diâmetro do campo modal ............................. 94
Tab. B. 3 - Atenuação na junta devido à separação angular (Tilt) ........................................................ 95
Tab. B. 4 - Atenuação na junta devido a “Offset” .................................................................................. 95
xiv
xv
Lista de Acrónimos
CD − Chromatic Dispersion (Dispersão cromática)
FC/PC − Ferrule connector/ physical contact
IEC − International Electrotechnical Commission
ITU − International Telecommunications Union
JME − Jones Matrix Eigenvalues
NPL − National Physical Laboratory
OCWR − Optical Continuous Wave Reflectometry
OFDR − Optical Frequency Domain Reflectometry
OLCR − Optical Low Coherent Reflectometry
OTDR − Optical Time Domain Reflectometry
PMD − Polarization Mode Dispersion (Dispersão de modos de polarização)
PSA − Polarization State Analyzer
SOP − States of Polarization
xvi
xvii
Lista de Símbolos
A − Coeficiente de atenuação total da fibra (1/km) resultante da média aritmética do coeficiente de atenuação nos dois sentidos
A() − Atenuação em função do comprimento de onda
B − Vetor campo indução magnética
Bd − Débito binário
c − Velocidade de propagação da luz
CD − Coeficiente de dispersão cromática
D − Vetor deslocamento elétrico
E − Vetor campo elétrico
f − Frequência do sinal modulador (MHz);
H − Vetor campo magnético
L − Diferença de comprimento (km) entre a fibra a ensaiar e a fibra de referência.
k0 − Constante de propagação no vácuo
N0 − Índice de refração do meio 0
n1 − Índice de refração do meio 1
n2 − Índice de refração do meio 2
NA − Abertura numérica
P − Vetor polarização elétrica
Pent() − Potência de entrada do sinal ótico em função do comprimento de onda
Pi − Potência do sinal incidente
Po − Potência de pico do impulso ótico
Pr − Potência do sinal refletido
Prbs (t) − Potência do sinal ótico de retorno por efeito de Rayleigh
Prl − Perdas de retorno
Psaíd() − Potência de saída do sinal ótico em função do comprimento de onda
S − Fator de dispersão do sinal ótico na fibra
xviii
S/N − Relação sinal ruído
S0 − Inclinação da curva de dispersão no ponto de dispersão nula
T0 − Largura do impulso
V − Frequência de corte normalizada
vg − Velocidade de grupo
− Coeficiente de atenuação da fibra
ab − Ângulo de abertura
rs − Coeficiente de atenuação (1/km) no sentido da propagação
− Constante de propagação do modo
− Suscetibilidade linear do meio
0 − Permitividade elétrica no vácuo
in (i) − Valores de fase medidos no sistema de referência (graus)
out (i) − Valores de fase medidos no sistema a ensaiar (graus)
− Comprimento de onda do sinal ótico
0 − Comprimento de onda no ponto de dispersão nula
0 − Permeabilidade magnética no vácuo
1 − Ângulo de incidência no meio 1
2 − Ângulo de refração no meio 2
c − Ângulo crítico
− Densidade de carga
(i) − Atraso de grupo relativo (ps/km)
1
Capítulo 1
Introdução
Este capítulo aborda de forma introdutória o trabalho realizado enquadrando-o com o contexto atual
das telecomunicações, assim como indica as motivações que levaram à sua realização e objetivos
que se pretendem atingir.
1.1 Enquadramento
O mercado (clientes particulares e empresariais) têm vindo a colocar aos provedores de serviços de
telecomunicações, cada vez maiores exigências e desafios aos serviços por estes prestados, sejam
estes provedores pela via do arrendamento ou possuidores de redes próprias.
Estas duas vertentes, procura e oferta, colocam sobre a rede em que os serviços são prestados
grandes exigências, designadamente elevada disponibilidade, qualidade de serviços, acessibilidade e
capacidade de transmissão; os provedores de serviços procuram a rentabilidade e baixos custos de
investimento e manutenção.
Os provedores lutam entre si para captar clientes, utilizando para tal políticas comerciais agressivas e
serviços inovadores e diferenciados, onde ser o primeiro é considerado como uma vantagem
competitiva relevante.
2
As redes de telecomunicações por fibra ótica assumiram desde há anos um papel determinante no
desenvolvimento e expansão das telecomunicações, contribuindo para que se atingissem os objetivos
acima indicados.
A fibra ótica foi inventada por Narinder S. Kapany em 1952 [1,2]. Em 1966 o Dr. Charles Kao
apresentou os requisitos da fibra ótica para utilização em telecomunicações. Poucos anos depois
(1970) uma equipa de cientistas da empresa Corning Incorporated, composta por Donald Keck,
Robert Mauer e Peter Schultz, produziram a primeira fibra óptica a cumprir os requisitos apresentados
pelo Dr. Charles Kao. Hoje em dia a fibra ótica é o meio que permite realizar a comunicação entre
dois pontos com maior qualidade de serviço (QdS), velocidade e capacidade de transporte de
informação.
As comunicações por fibra ótica têm diversas vantagens sobre os outros métodos de transmissão,
tais como cabos de cobre ou via rádio, referindo-se as seguintes:
O sinal pode ser transmitido ao longo de grandes distâncias (200 km) sem ser necessário o
recurso a regeneração;
A transmissão é praticamente insensível a perturbações eletromagnéticas, para além de que
a fibra não é condutora de,
A capacidade num sistema de comunicações óticas é muito superior à existente em cabos
metálicos coaxiais;
O cabo ótico é muito mais leve e de menores dimensões do que um cabo metálico;
O cabo ótico é muito fiável, flexível e quase insensível a vibrações.
Um cabo ótico pode conter até centenas de fibras óticas, agrupadas em estruturas tubulares
ocas.
Em Portugal as primeiras redes de telecomunicações em fibra ótica apareceram na década de 80.
A uma rede de fibra ótica é geralmente associado um tempo de garantia na ordem dos 20 a 30 anos,
cuja responsabilidade de assegurar está repartida entre o fabricante da fibra ótica e o instalador da
rede.
Num prazo de utilização desta amplitude é expectável que possam existir fenómenos físicos,
ambientais e intervenções externas que afetem o desempenho da rede, traduzindo-se numa
degradação das suas características iniciais. Neste largo período de exploração é importante
acompanhar a evolução da rede, identificando-se eventuais problemas existentes ou potenciais, bem
como a sua capacidade e aptidão para suportar a evolução tecnológica das soluções de transmissão
e aumento do tráfego.
Porque a instalação de novas infraestruturas de comunicação exigiria investimentos significativos, as
operadoras de telecomunicações, como forma de aumentar a sua oferta de capacidade, preferem
aumentar a capacidade de seus meios de fibra ótica, usando técnicas de multiplexagem de
comprimento de onda, tais como C/DWDM, prática também aplicada nas redes novas. Contudo, parte
3
significativa das redes de fibra óticas instaladas são antigas, podendo por isso apresentar
características físicas que limitam a sua capacidade de transmitir sinais de alta velocidade.
Uma abordagem racional aponta para a necessidade de verificação/ ensaio prévia da rede, como
forma de assegurar que esta pode cumprir os padrões de qualidade e de funcionamento,
internacionalmente aceites e definidos.
Numa fibra ótica a luz ao propagar-se é afetada por fenómenos de atenuação, de dispersão e de não-
linearidades na fibra.
A atenuação na fibra é causada por fenómenos intrínsecos a esta, designadamente espalhamento e
absorção da luz no meio e processa-se ao longo comprimento da ligação; e por razões extrínsecas
que estão relacionadas com o processo de instalação e envelhecimento da mesma. A atenuação
depende o comprimento de onda da luz propagada, do tipo de fibra utilizada e é diretamente
proporcional à distância que o sinal tem de percorrer. Por exemplo, para uma fibra do tipo G652A, a
atenuação normalizada máxima, nos comprimentos de onda de 1310 nm é de 0,5 db/km e em 1550
nm é de 0,4 db/km. Já para uma fibra do tipo G652D, a atenuação normalizada máxima nos
comprimentos de onda de 1310 nm a 1625 nm e 1550 nm é 0,4 db/km e 0,3 db/km.
Os fenómenos dispersivos fazem-se sentir provocando atrasos na chegada das diversas
componentes do sinal, o que é um fator de distorção do mesmo e introduz limitações a nível da
velocidade de transmissão deste. Menores velocidades implicam maiores tempos de transmissão e
menor largura de banda útil disponível. Quando a diferença de atraso se manifesta seletivamente nas
diversas componentes espetrais do sinal, diz-se estarmos perante fenómenos de dispersão cromática
(Chromatic Dispersion - CD); quando a diferença dos tempos de chegada das componentes do sinal
estiveram relacionadas com a polarização dos modos, diz-se estarmos perante fenómenos de
dispersão de polarização (Polarization Mode Dispersion - PMD).
Apesar de uma fibra poder ter um comprimento de 100 km ou mais, já um cabo de fibras óticas terá
no máximo 6 km. Assim para se vencerem grandes distâncias é necessário interligarem-se vários
cabos, usando-se para tal um método de ligação das fibras denominado fusão. Este tipo de ligação
tem valores específicos de perdas, sendo 0,1 dB um valor máximo típico.
Também o acesso às várias fibras de um cabo e a sua distribuição por vários destinos e clientes, é
feito por via de fichas adequadas. Cada uma destas ligações também tem valores especificados,
assumindo-se como admissível uma perda de 0,5 dB.
No processo de instalação, más práticas associadas ao não cumprimento dos requisitos de esforço
físico (e.g. tração) ou de raio de curvatura, a que uma fibra pode ser submetida, podem prejudicar as
características de atenuação da fibra, aumentando-a significativamente.
Se compararmos então o valor da atenuação máxima normalizada de uma fibra G652D, para o
comprimento de onda de 1550 nm (0,3 dB/km), com as atenuações nas ligações por fusão (0,1 dB) e
conectores (0,5 dB), somos levados a concluir que uma fusão, mesmo cumprindo os requisitos
definidos, tem um impacto na atenuação corresponde a uma distância de 300 m; uma ligação com
ficha, com 0,5 dB máximo, corresponde a 1600 m. As ligações são indispensáveis para se atingirem
4
maiores distâncias e aceder aos utilizadores, razão de ser de uma rede, mas as consequências são
uma redução na extensão da ligação e a necessidade de utilização de amplificadores para recuperar
o sinal perdido, compensando ou minimizando estes efeitos.
Um processo de qualificação de uma rede em fibra ótica, independentemente do débito que se
preveja que a mesma venha suportar, terá assim de contemplar este contexto, preocupando-se com
todos os fatores e avaliando todos os atributos da ligação, sendo por isso recomendável o seguinte
conjunto de ensaios apresentado na Tab. 1. 1. No caso específico de uma rede nova, a qualificação
deverá incluir a validação dos atributos da fibra e do cabo ainda na fábrica, e termina com os ensaios
após instalação.
Tab. 1. 1 - Lista de características e ensaios a realizar numa rede de fibra ótica
Característica Descrição dos ensaios tipo
Atenuação
-Perdas totais nos comprimentos de onda de 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm ; -Coeficiente de atenuação nos comprimentos de onda de 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm; -Perdas de retorno nos comprimentos de onda de 1310 nm, e 1550 nm; -Atenuação espetral na banda de 1260 nm a 1630 nm;
Dispersão
-Dispersão Cromática na banda de 1260 nm a 1630 nm; -Dispersão de Polarização nos comprimentos de onda de 1310 nm, e 1550 nm.
Numa rede de fibra ótica destinada ao transporte de grandes fluxos de informação, poderão ser
utilizados, de acordo com a classificação ITU e que se tornaram referências internacionais, os
seguintes tipos de fibra ótica:
-Fibra G652(A/B/C/D): monomodo de uso geral; Recomendação ITU-T Fibra G 652;
-Fibra G653(A/B): monomodo de dispersão deslocada; Recomendação ITU-T Fibra G 653;
-Fibra G655(A/B/C): monomodo de dispersão não nula. Recomendação ITU-T Fibra G 655;
Estas recomendações descrevem as características geométricas, mecânicas e de transmissão
especificadas para esses tipos de fibras.
As fibra mais utilizadas em redes são as chamadas de "dispersão não deslocada" (ITU G.652), as
quais têm uma pequena dispersão cromática (CD) na janela ótica em torno de 1310 nm, e um maior
valor na região dos 1550 nm. Esta dispersão limita o comprimento possível transmissão sem
compensação.
5
A ITU G.653 é uma fibra de dispersão deslocada (DSF), concebida para minimizar a dispersão
cromática em 1550 nm com janela de dispersão nula entre 1525 nm e 1575 nm. Contudo, este tipo de
fibra tem vários inconvenientes, como a maior dispersão de polarização comparativamente às ITU
G.652, e um risco elevado de efeito de mistura de sinais devido ao efeito denominado “Four Wave
Mixing”, tornando DWDM praticamente impossível. Por estas razões, foi desenvolvida outra fibra
monomodo: a “Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber” (NZDSF). As fibras NZDSF têm agora substituído
fibras DSF, que não são mais utilizadas.
As fibras ITU G.655 Non-Zero Dispersion Shifted Fibers, foram desenvolvidas para eliminar efeitos
não lineares existentes em fibras DSF e dirigiram-se especialmente para aplicações DWDM na janela
de 1550nm. O facto de terem um comprimento de onda de corte em torno de 1310 nm limita a sua
operação nesta janela.
A acompanhar o processo de normalização das características das fibras óticas, foi também
necessário normalizar os procedimentos de ensaio aplicáveis, tornando-os internacionalmente
aceites, por clientes e fabricantes.
Assim as Normas Internacionais a aplicar para cada ensaio são as apresentadas na Tab. 1. 2.
Tab. 1. 2 - Lista de ensaios e Normas Internacionais aplicáveis
Ensaio Norma
Perdas totais IEC 60793-1-40
Coeficiente de atenuação IEC 60793-1-40
Perdas de retorno IEC 61300-3 -6
Atenuação espetral IEC 60793-1-40
Dispersão cromática (CD) IEC 60793-1-42
Dispersão de modos de polarização (PMD) IEC 60793-1-48
A atividade de ensaio que se apresenta neste trabalho teve contributo determinante para assegurar
que no caso de redes novas eram cumpridas as especificações que lhe foram definidas, ou no caso
de redes em operação foram identificados os troços da ligação que por impedirem o cumprimento dos
novos objetivos especificados, tinham de ser objeto de reconstrução ou manutenção.
A atividade da qualificação da rede exerce a sua influência e contribuição para além da rede
propriamente dita, existindo outros aspetos de extrema relevância e que se relacionam com a
possibilidade de transmissão de conhecimentos, sensibilização para a necessidade de se utilizarem
as melhores práticas de instalação e da utilização de meios de produção em bom estado de
funcionamento, contributos importantes para os instaladores de rede de fibra ótica.
6
1.2 Motivações e Objetivos
Estavam decorridos 22 anos após a minha Licenciatura no Instituto Superior Técnico de Lisboa (IST),
quando decidi retomar a vivência universitária e o gosto renovado pela aprendizagem neste contexto,
recorrendo para o caso ao curso POSTIT – Pós Graduação em Telecomunicações e Tecnologias da
Informação.
Este evento foi o despoletar do interesse em me inscrever no Mestrado de Engenharia Eletrotécnica e
Computadores, permitindo renovar as minhas qualificações e obter o grau de Mestre.
O tema que sempre tive em mente para a Dissertação, estava ligado ao ensaio de redes de fibra
ótica, uma das atividades a que estive técnica e profissionalmente ligado desde finais da década de
1980, realizando uma intensa atividade nesta área, tendo como alvo a caracterização duma rede em
termos de efeitos lineares e dispersivos com vista à sua qualificação face a especificações de cliente
e normas internacionais, identificando anomalias ao seu desempenho esperado ou auditando a sua
instalação.
É o conjunto das experiências e conhecimentos adquiridos, a vasta documentação dos casos e a sua
relação com os aspetos teóricos que motiva a elaboração deste Relatório.
O principal objetivo é apresentar e discutir, numa forma amostral, os resultados dos diversos
trabalhos (ensaios) realizados sobre os diversos tipos de fibra ótica, apresentar a problemática do
ensaio e a comparação de vários métodos de realização dos mesmos e abordar a problemática da
instalação de redes de fibra ótica.
1.3 Estrutura da Dissertação
Este Relatório está organizado em 5 capítulos, cujas finalidades seguidamente se apresentam:
Capítulo 1 – Dedicado ao enquadramento, motivação e objetivos, estrutura do relatório e
contribuições
Capítulo 2 - Discutem-se os aspetos teóricos de comunicação em fibra ótica e principais efeitos
lineares e dispersivos.
Capítulo 3 – Abordam-se as várias técnicas de ensaios aplicadas na qualificação de uma rede de
fibra ótica, enquadradas nas Normas Internacionais respetivas.
Capítulo 4 – Apresentação e discussão dos casos práticos e resultados.
Capítulo 5 - Apresentam-se as conclusões e trabalhos futuros.
7
1.4 Contribuições
O contacto com os ensaios de fibra ótica iniciou-se com os ensaios de fibra multimodo e monomodo
para uma rede de comunicações de um edifício de uma grande empresa nacional que estava na
altura a construir a sua nova sede.
Este primeiro passo foi o despoletar pelo interesse no ensaio de dispositivos para redes de
telecomunicações, o qual na altura se focalizou nas redes óticas e metrologia associada, criando-se,
poucos anos após, de raiz e para o efeito um laboratório de calibração e ensaio em fibra ótica.
A atividade foi inicialmente desenvolvida, tendo como principal alvo os operadores de
telecomunicações da altura, situação que se veio a alterar, dada a evolução das redes de
telecomunicações em Portugal (diversos operadores e redes de fibra ótica pertencentes a não
operadores de telecomunicações).
Em princípios da década de 90, implementou-se em Portugal, fora do contexto dos operadores de
telecomunicações, uma grande rede de telecomunicações por fibra ótica, a qual visava, em primeira
instância, suportar os sistemas de comunicação e supervisão inerentes a uma rede de energia. Esta
rede pela sua dimensão quer geográfica quer de capacidade, cabo de 36 fibras óticas, era muito
relevante e estavam subjacentes perspetivas de expansão futuras. Uma vez mais estivemos
presentes, assumindo a responsabilidade pela execução dos ensaios de qualificação desta rede,
atividade que perdurou durante alguns anos e que se mantém até aos dias de hoje, acompanhando o
seu crescimento.
Com o despoletar das redes de fibra ótica de nova geração (multigigabit) em meados da década de
2000 e a sua implementação em diversas regiões do País e fora do contexto dos operadores, criou-
se nova oportunidade de assumir a realização dos ensaios de qualificação dessas redes, as quais
tinha como requisito principal o débito de 10 Gb/s. Também aqui estivemos presentes em dois casos,
um Norte e outro no Sul do País.
Entre estes grandes projetos continuaram a realizar-se os ensaios de qualificação 10 Gb/s para as
redes de operador de telecomunicações.
Este trabalho tem assim por base o resultado dos ensaios (campo e laboratoriais) e experiências de
atividades de qualificação de redes de fibra ótica, realizados desde finais da década de 80 do
passado século até 2011.
8
9
Capítulo 2
Propagação em fibra ótica.
Um sistema de comunicações pode genericamente ser descrito através de três blocos: o emissor, o
canal de transmissão e o recetor. No caso das comunicações por fibra ótica teremos nos extremos, o
bloco de transmissão ótica e o bloco de receção ótica; o canal de transmissão é formado pela fibra
ótica. Na Fig. 2. 1, ilustra-se em esquema de bloco o sistema de comunicações por fibra ótica.
Independentemente do sistema de comunicação, podemos classificá-lo quanto ao seu alcance como
Longas Distâncias (Long–haul > 100 km) ou Curtas Distâncias (Short-haul < 100 km).
No contexto deste trabalho abordaremos a fibra ótica como o constituinte do canal de comunicação e
ou transmissão, cuja principal função é transportar o sinal ótico entre dois pontos denominados
transmissor e recetor.
Fig. 2. 1 – Esquema de blocos de um sistema de comunicações por fibra ótica
No processo de transmissão de um sinal em fibra ótica ocorrem fenómenos que afetam a qualidade
do sinal; são eles a atenuação, cujo impacto é a redução da potência ótica do sinal e a dispersão,
Transm.Óptica
FibraÓptica
Recept.Óptico
Sinal eléct
Sinal óptico
Sinal eléctrico
10
cujo impacto é o alargamento do impulso ótico transmitido. A atenuação determina a distância
máxima entre o transmissor e o recetor; a dispersão tem influência dupla, determina o débito máximo
a que se pode transmitir o sinal e também a distância entre o transmissor e o recetor.
2.1 Propagação da luz
Na abordagem da ótica geométrica, a propagação da luz pode ser entendida como um conjunto de
raios deslocando-se em linha reta num meio, os quais se refletem ou refratam quando atingem a
superfície de separação entre dois meios. Na Fig. 2. 2 ilustra-se esta abordagem, na qual temos um
meio com índice de refração n1 e outro com índice de refração n2
Fig. 2. 2 - Representação dos fenómenos de reflexão e refração da luz na superfície de separação de
dois meios.
As leis da ótica geométrica estipulam que
1r
= 1 (2. 1)
e de acordo com a lei de Snell teremos
n1 sen
1 = n2 sen
2 (2. 2)
onde,
n1 é o índice de refração do meio 1;
1 e 1r
são respetivamente, os ângulo de incidência e de reflexão no meio 1;
n2 é o índice de refração do meio 2;
2 é o ângulo de refração no meio 2.
Com o aumento de ângulo de incidência (1), o ângulo de refração (2) também aumenta. Na
situação em que n1 é superior a n2, atinge-se um ponto em que 2 = /2. Para valores de 1 ainda
superiores atinge-se então a situação de reflexão total e a energia da onda incidente no meio n1 é
11
refletida totalmente para esse mesmo meio. Ao valor mínimo de 1 que conduz à reflexão total
denomina-se de ângulo crítico c, sendo dado pela expressão c = arc sen (n2/n
1).
O fenómeno da reflexão interna total, responsável pela propagação da luz nas fibras óticas segundo a
ótica geométrica, é conhecido desde 1854 [1], contudo só em meados da década de 1970 é que foi
possível a produção de fibra ótica com valores de atenuação (0,2 dB/km @ 1550 nm) que
possibilitassem a sua utilização nas telecomunicações de longa distância.
A fibra ótica é formada por uma estrutura cilíndrica dupla concêntrica, no caso vertente de sílica,
protegida externamente por uma camada protetora. À estrutura cilíndrica interior dá-se a
denominação de núcleo (core); a estrutura cilíndrica exterior denomina-se de bainha (cladding); a
camada de proteção denomina-se revestimento primário (jacket). Na Fig. 2. 3 ilusta-se a configuração
cilíndrica da fibra ótica.
O índice de refração do núcleo é superior ao da bainha. O modo de variação do índice de refração do
centro (núcleo) para a periferia (bainha), permite classificar as fibras óticas, quanto a este aspeto, em
dois tipos: índice em degrau e índice gradual.
Na fibra de índice em degrau, o índice de refração do núcleo mantém-se constante em toda a sua
secção; no caso da fibra de índice gradual, o índice de refração do núcleo vai diminuindo radialmente.
Na Fig. 2. 4 ilustram-se estas duas situações.
Fig. 2. 3 - Ilustração da configuração cilíndrica e estrutura da fibra ótica.
Aplicando-se a abordagem da ótica geométrica à propagação da luz na fibra ótica, podemos assim
afirmar que a luz se propaga devido ao efeito de reflexão total na interface núcleo - bainha, desde que
seja cumprida a condição de que o ângulo de incidência seja superior ao ângulo crítico c.
Núcleo Baínha Revestimento
12
Fig. 2. 4 - Representação da variação do índice de refração (n) em função da distância radial (d) para
a fibra de índice em degrau e índice gradual. A fibra está representada em corte transversal.
O conhecimento do valor do ângulo crítico na interface núcleo-baínha, permite a determinação de um
parâmetro relevante para a propagação, designadamente o ângulo de aceitação ab. Este ângulo,
conforme Fig. 2.5, define a abertura máxima do cone de aceitação de luz que possibilita a sua
propagação ao longo do núcleo da fibra e está intrinsecamente relacionado com outro parâmetro
designado abertura numérica (NA), tendo influência relevante no projeto de dispositivos óticos. Na
Fig. 2.6, ilustra-se a propagação da luz na fibra, no contexto da interface ar-núcleo e núcleo-bainha,
para fibra de índice em degrau. Note-se que na interface ar-núcleo existe refração do feixe de luz
(transmissão do meio 0 para o meio 1), enquanto que para o interface núcleo-baínha a situação
desejável é contrária. O ângulo de aceitação deverá respeitar estas duas condições.
Aplicando a lei de Snell e tendo em atenção que r =/2 - teremos [1]
n0 sen i = n
1 sen r = n1
cos = (n1
2- n
2
2)
½
(2. 3)
A abertura numérica NA é dada por [1]
NA= n0 sen i = (n
1
2- n
2
2)
½ (2. 4)
Fig. 2. 5 - Identificação da zona (cone) de aceitação e a sua relação com o ângulo ab
13
Fig. 2. 6 - Propagação da luz na fibra, nas interfaces ar-núcleo e núcleo-bainha, para fibra de índice
em degrau.
Da Fig.2.5 e Fig.2.6, tomando n0=1, resulta imediatamente que NA= sen ab
O valor da abertura numérica (NA) está relacionado com a aptidão para a captação do maior nível
possível de energia para o núcleo da fibra, fator que podendo-se considerar positivo é responsável
contudo, por um fenómeno indesejável para a utilização da fibra ótica nas telecomunicações ao qual
se dá o nome de dispersão multi-caminho ou modal. Recorrendo-se à Fig. 2.6, verifica-se que, para
cada raio de luz pertencente ao cone de aceitação, existe um caminho diferente com maior ou menor
número de reflexões na interface núcleo-baínha. Quantas mais reflexões maior a distância que o raio
tem de percorrer, resultando numa dispersão dos tempos de chegada ao fim da fibra, causando
distorção no sinal.
A diferença de tempo de chegada, entre o caminho mais longo que o raio percorre (i = ) e o mais
curto (i =0), é dada por [1]
∆∅
(2. 5)
em que L é o comprimento da fibra ótica, c a velocidade da luz no vazio e c é o valor mínimo do
ângulo a partir do qual só existe reflexão e a propagação fica confinada somente ao núcleo.
Como referido, a abordagem à propagação da luz na fibra ótica segundo a ótica geométrica aplica-se
somente no caso das dimensões do núcleo da fibra serem muito superiores ao comprimento de onda
de trabalho. A abordagem mais geral consiste em tratar a propagação de campos óticos, como
qualquer fenómeno de propagação de ondas eletromagnéticas, onde a propagação da luz ao longo
da fibra ótica é descrita em termos de ondas eletromagnéticas guiadas, assunto a abordar na secção
seguinte.
14
2.2 Propagação de sinais na fibra ótica
2.2.1 Equações de Maxwell
A luz é uma onda eletromagnética pelo que a sua propagação em qualquer meio é descrita pelas
equações de Maxwell [1,2].
. D = (2. 6)
. B = 0
(2. 7)
x E = -
(2. 8)
x H = J+
(2. 9)
Onde, D é o vetor deslocamento elétrico, é a densidade de carga elétrica, B é o vetor campo de
indução magnético, E representa o vetor campo elétrico, H representa o vetor campo magnético e J é
o vetor densidade de corrente.
Em qualquer meio [2] D = 0E + P e B = 0(H+M), em que P é o vetor polarização elétrica, o qual
depende das propriedades da matéria e do campo aplicado, 0 representa a constante dielétrica do
vácuo, 0 representa a permeabilidade magnética do vácuo e M o vetor polarização magnética.
No caso de matérias como a sílica, comummente utilizadas para a fabricação da fibra ótica, assume-
se que:
no meio não existem cargas elétricas, pelo que =0;
o valor da condutividade é extremamente reduzida ( ≈ 0), pelo que sendo J=E, resulta
imediatamente J= 0;
sendo a sílica material não magnético, a sua suscetibilidade magnética m=0, pelo que sendo
M=m H, resulta M=0.
Recorrendo a estes resultados e relações, aplicando-os nas equações de Maxwell, e reescrevendo-a
somente em termos dos vetores E e P, como exemplo da sua importância prática, resulta [1,2]
(2. 10)
A relação entre P e E depende da natureza do meio e, no caso das fibras óticas, devido à natureza
da sílica, é a origem de dois importantes efeitos relacionados com a propagação da luz,
15
designadamente dispersão e não-linearidades, os quais limitam o desempenho dos sistemas de
comunicação ótica.
As características [1,2] relacionadas com o meio (ideal ou fibra ótica de sílica) e que afetam a relação
entre E e P, são apresentadas na Tab. 2. 1.
A relação entre P e E, vetores polarização e campo elétricos, no espaço e no tempo, ou na frequência
é dada pela expressão [2],
P(r,t) = 0 , ,
(2. 11)
, , , (2. 12)
Em que representa a suscetibilidade linear do meio.
A análise de (2.12), permite inferir que num sistema linear de resposta impulsiva , a
polarização dielétrica é o resultado da aplicação a esse meio de um campo elétrico , .
Conclusão idêntica se chegaria caso a análise fosse realizada no domínio do tempo, via (2.11).
Contudo a análise no domínio do tempo permite-nos ainda concluir que P não só depende de E no
instante t mas também no instante anterior, ou seja, a resposta do meio a um campo elétrico não é
instantânea, ou em outras palavras a suscetibilidade , não é independente da frequência. Este
atraso na resposta é a causa da existência de um efeito denominado – Dispersão cromática.
Se a suscetibilidade depende da frequência então o índice de refração do material também o será,
podendo-se então expressar este na forma n2()= 1 + [2].
Com base no anteriormente exposto, recurso às equações de Maxwell e após manipulação
matemática, obteremos as equações de onda para o campo eletromagnético { e } [2]
0
(2. 13)
0 (2. 14)
onde representa o operador Laplaciano, o qual em coordenadas cilíndricas depende de , e z.
Tendo em atenção que e exemplificando , a equação toma a forma
0
(2. 15)
16
Tab. 2. 1 - Características relacionadas com o meio (ideal ou fibra ótica de sílica) que afetam a
relação entre E e P.
Meio ideal [1] Fibra ótica de sílica [1,2]
- Resposta localizada: o valor de P num dado
ponto somente depende do valor de E nesse
ponto;
A resposta localizada verifica-se, com um bom
grau de aproximação, na gama entre 0,5m e 2
m, a qual contempla a gama de transmissão
utilizada em comunicações óticas;
- Isotropia: as propriedades eletromagnéticas do
meio, tais como o índice de refração, são as
mesmas em todas as direções, o que se verifica
com fibras de sílica desde que estas sejam
estruturas perfeitamente cilíndricas;
A isotropia não se verifica, dado que estruturas
perfeitamente cilíndricas são situações ideais,
pelo que o índice de refração varia segundo a
direção, designando-se, no caso de se
considerarem somente dois eixos, como bi-
refringente;
- Linearidade: significa que a relação entre a
causa e a consequência que a originou, se
mantém constante e inalterável em toda a gama.
A relação entre P(r,t) e E (r,t) é linear sendo
dada pela expressão apresentada em (2.11).
A linearidade, não se verifica, pois a
suscetibilidade linear do meio () ao ser
dependente da frequência, origina a que P(r,)
tenha uma dupla dependência, ou seja de e
deE, resultando num efeito dispersivo
denominado dispersão cromática;
- Homogeneidade: as propriedades
eletromagnéticas são as mesmas em todos os
pontos do meio;
A homogeneidade não existe na fibra como um
todo, pois apesar de o núcleo e a bainha serem
constituídos pelo mesmo material, são lhe
obrigatoriamente definidos índices de refração
diferentes, para que a propagação se efetue;
- Sem perdas A ausência de perdas, é uma aproximação
teórica, não existente na prática, contudo, as
fibras óticas atuais apresentam valores de
atenuação por comprimento de onda muito
reduzidos;
Tomando-se como exemplo a aplicação das coordenadas cilíndricas (, , z), à componente axial do
vetor campo elétrico, a fórmula (2.15) é expressa como [1]
17
1
1∅
0 (2. 16)
Para a fibra monomodo de raio a, o índice de refração n [1] tem a forma de,
; ;
As soluções das equações (2.13 e 2.14) definem os modos que se propagam na fibra ótica,
correspondendo a cada solução específica um modo. Estas soluções ou modos, satisfazem
adequadamente as condições de fronteira e possuem a propriedade de que a sua distribuição
espacial não se altera com a propagação. Os modos podem ser classificados quanto ao tipo como
guiados, perdidos ou radiados. No caso da transmissão de sinal por fibra ótica é óbvio que o modo
pretendido é o modo guiado.
Cada modo de propagação é caracterizado por uma configuração de campo elétrico e magnético que
se repete ao longo da fibra, sendo designados como modos híbridos e identificados como HEmn ou
EHmn, consoante a componente predominante seja a magnética ou a elétrica. No caso específico de
m=0 teremos HE0n ou EH0n, sendo neste caso designados respetivamente por TE0n ou TM0n,
correspondendo-lhes então os modos de propagação transversal elétrico (Ez=0) ou transversal
magnético (Hz=0).
Um modo de propagação é determinado de forma unívoca pela sua constante de propagação
Neste contexto é útil a introdução da quantidade ñ designada por índice de modo ou índice efetivo
sendo dado pela expressão [1, 2]
ñ = / k0 (2. 17)
significando que cada modo se propaga na fibra com um índice de refração efetivo cujo valor se
encontra na gama n1 > ñ > n2. Um modo deixa de ser guiado quando ñ < n2. A situação em que
ñ = n2 define-se como aquela em que o modo atingiu o ponto de corte (cutoff).
Dada a existência de um número finito de modos de propagação, foi definido um parâmetro
denominado de frequência de corte normalizada, cujo valor determinará a quantidade de modos que
se propagam na fibra, sendo dado por [1]
V= k0 a (n
1
2- n
2
2)1/2 (2. 18)
Onde, a é o raio do núcleo, k0 é a constante de propagação no vácuo, e n
1 e n2,são respetivamente,
os índices de refração do núcleo e da bainha.
Tendo cada modo condições de propagação diferentes, determinados pela constante de propagação
() específica, e sendo a energia da onda repartida por vários modos os quais chegam em tempos
18
diferentes, o impulso à saída da fibra é objeto de distorção, por alargamento, que irá limitar o débito
de transmissão disponível na mesma. A este tipo de fenómeno chama-se dispersão modal.
As fibras que só conduzam um modo são designadas fibras monomodo, enquanto as fibras que
conduzam mais do que um modo são designadas de fibras multimodo. Na fibra monomodo não existe
dispersão modal.
Neste trabalho unicamente são utilizadas fibras monomodo, pelo que a apresentação e discussão
subsequente será limitada a esta condição.
A condição de transmissão em monomodo é determinada pelo valor da frequência normalizada, V,
para o qual só seja possível o modo HE11, designado como modo fundamental. Esse valor é
V = 2,405 [1,2,3].
Conforme referido, a transmissão de impulsos na fibra ótica monomodo, considerando unicamente o
regime linear, é influenciada por dois tipos de fenómenos, designadamente atenuação e dispersão da
fibra, os quais dependem do comprimento de onda, e que seguidamente se abordarão.
2.2.2 Atenuação
Em condições normais e considerando somente os efeitos lineares, a potência de um impulso ótico
em propagação numa fibra é regido pela equação de Beer [1].
(2. 19)
Em que é o coeficiente de atenuação. No caso vertente, inclui não só as perdas de absorção no
material mas também outras fontes de perda. A relação entre a potência de saída (Psaída) de uma fibra
com comprimento L (km), face a uma potência de entrada (Pentrada) é dada por
í (2. 20)
O coeficiente de atenuação quando expresso em dB/km é
/110 í
(2. 21)
A atenuação na fibra ótica depende do comprimento de onda do sinal aplicado, sendo resultado das
seguintes contribuições:
Espalhamento (dispersão) de Rayleigh, o qual decresce com o comprimento de onda;
Absorção ultravioleta, a qual decresce com o comprimento de onda;
19
Imperfeições no guia de onda, independentes do comprimento de onda;
Ressonância vibratória do ião OH a 2,73 m, resultante da existência de vapor de água na
fibra, que pela ação da interação das suas harmónicas com a sílica, produz picos de
atenuação a 0,95 m, 1,24 m e 1,38 m.
Absorção de infravermelhos, notando-se a partir de 1,5 m e crescente com o comprimento
de onda.
O perfil de atenuação de uma fibra ótica ITU-T G652A é apresentado na Fig. 2. 6.
Fig. 2. 6- Perfil de atenuação de uma fibra ótica genérica (CCITT G652A).
O espalhamento de Rayleigh é provocado por flutuações microscópicas da densidade da sílica,
ocorridas durante o processo de fabricação (fusão) da fibra, produzindo-se flutuações aleatórias do
índice de refração, numa escala inferior ao comprimento de onda ótico. As perdas por espalhamento
de Rayleigh são dadas por [1] / , em que a constante C está compreendida na gama 0,7 a
0,9.
As imperfeições na forma cilíndrica do guia de onda (fibra ótica), originadas em consequência do
processo de fabrico ou por curvatura, são outra das causas da atenuação nas fibras óticas. As perdas
por curvatura [1], proporcionais a exp(-R/Rc), em que R é o raio de curvatura e Rc= a/(n12
– n22 ) e a o
raio do núcleo, assumem-se a como a principal contribuição. Nestas destacam-se as perdas por
micro curvatura, resultantes de distorções aleatórias na estrutura axial da fibra, quando esta é sujeita
a esforços no processo de cablagem.
Os efeitos das perdas resultante da contaminação dos iões OH, são atualmente fortemente reduzidos
e praticamente eliminados, em resultado de melhorias substanciais no processo de fabrico as quais
reduzem a concentração de iões de OH para valores inferiores a 10-8 [1]. Estas fibras têm a
designação técnica de “Dry fibers, Low or Zero Water peak Fiber – L/ZWF, OFS AllWave fiber”.
Com o advento dos sistemas de multiplexagem no comprimento de onda (WDM – wavelength-division
multiplexing), identificou-se a necessidade de organizar e normalizar o espetro ótico de comunicações
em bandas de comprimento de onda [3], as quais se apresentam na Tab.2.2.
20
Tab. 2. 2- Bandas óticas para fibras monomodo.
Designação da Banda
Gama espetral (nm)
Original O 1260-1360
Alargada (Extended) E 1360-1460
Curta (Short) S 1460-1530
Convencional (Conventional) C 1530-1565
Long L 1565-1625
Ultra Longa U 1625-1675
2.2.3 Dispersão
Dispersão Cromática (CD)
A velocidade de grupo associada ao modo fundamental depende do comprimento de
onda do sinal, designando-se esta dependência como já referido, de dispersão cromática (CD ou
também dispersão da velocidade de grupo, dispersão intramodal ou simplesmente dispersão na fibra)
a qual se reparte por duas contribuições, a dispersão no material (DM) e a dispersão no guia (DW) de
onda (D= DM + DW).
A dispersão D é dada [1] por
1 2
(2. 22)
em que vg é a velocidade de grupo e 2 (
)corresponde à segunda derivada parcial de em
relação a
A variação da T da largura do impulso depende diretamente da dispersão cromática, da distância e
da largura espetral da fonte ótica de transmissão (T = D L , variação essa que vai influenciar o
débito de transmissão máximo na ligação. A influência da dispersão (D) no débito de transmissão (BD)
de uma ligação com comprimento L, pode ser estimado por recurso ao critério [1,2]
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| | ∆ 1 (2. 23)
No sentido de expressar a dependência de D com a frequência [1] teremos,
2 1 22
(2. 24)
em que é o índice de modo, dado por e b é índice de propagação
normalizado, dado por / .
A dispersão no material (DM) é originada pelo fato do índice de refração da sílica variar com o
comprimento de onda, estando definida empiricamente pela relação DM ≈ 122 (1-ZD /), em que ZD é
o comprimento de onda em que DM = 0, correspondendo-lhe o valor de 1276 nm para a sílica pura [1].
A dispersão no material é negativa para valores inferiores a ZD e positiva nos restantes casos.
A dispersão no guia de onda (DW) é sempre negativa e depende do índice de refração da bainha (n2g)
e do parâmetro frequência normalizada (V) da fibra ou do raio do núcleo a e da diferença de índices
de refração Δ 1 2 / , em suma depende dos parâmetros da fibra.
Recorrendo ao fato do modo de dependência de DW estar relacionado com a fibra ótica, conforme
expresso, e conjugando-o com DM, poder-se-á fazer deslocar o parâmetro ZD, para valores
superiores (gama 1550 nm) e, neste caso as fibras resultantes terão a designação de fibras com
dispersão deslocada ou até limitar a dispersão a um determinado valor dentro de uma determinada
banda e, neste caso, as fibras resultantes terão a designação de dispersão aplanada.
O efeito de alargamento dos impulsos persiste para efeitos de dispersão de ordem superior, pelo que
a sua caracterização é pertinente. Assim estes efeitos são regidos pela inclinação da curva de
dispersão (S) [1], parâmetro expresso por
2 4
(2. 25)
onde 3 = d2/d ≡ d3/ d3 é o parâmetro de dispersão de terceira ordem. No comprimento de onda
= ZD, 2 é nulo pelo que S é somente proporcional a 3.
Estimando-se o impacto no débito de transmissão (BD) em relação ao parâmetro S, teremos, pelo
facto de D= S e recorrendo-se à Eq. (2. 23).
| | ∆ 1 (2. 26)
Os impulsos utilizados em utilizados em comunicações óticas não são monocromáticos, têm uma
largura espetral (), a qual, apesar de muito pequena quando comparada com o comprimento de
onda central (0), não deixa de ter impacto na transmissão do sinal e dever ser considerada. Para se
analisar a propagação do sinal nestas condições recorre-se à avaliação da amplitude da componente
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real do vetor campo elétrico |E(r,t)|, o qual, para a situação de um impulso monocromático, é
expresso por [2]
|E(r,t)|= J (x,y) cos [t – ()z] (2. 27)
em que J (x,y)= [Jl(x,y)2 + Jt(x+y)2]1/2 é a distribuição do campo elétrico ao longo da secção
transversal da fibra, sendo determinado pela resolução da equação de onda, com recurso à função
de Bessel. Apesar de no caso geral J( ) depender da frequência do impulso, essa dependência é
diminuta e pode ser desprezada, dado que a largura espetral da fonte é muito pequena quando
comparada com o comprimento de onda central. Jl e Jt são igualmente expressos em termos da
função de Bessel e contribuem para a definição da componente longitudinal (Ez) e transversal (Ex ou
Ey) do modo fundamental. Para se considerar o efeito da largura espetral da fonte, a constante de
propagação deverá ser expressa como ±, o que substituindo-se em (2.27) resulta